El telescopio Webb de la NASA expone la compleja atmósfera de un super júpiter sin estrellas
Un equipo internacional de investigadores ha descubierto que las variaciones previamente observadas en el brillo de un objeto de masa planetaria que flota libremente conocido como SIMP 0136 deben ser el resultado de una combinación compleja de factores atmosféricos y no pueden explicarse únicamente por las nubes.
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| Esta concepción artística muestra cómo podría lucir el objeto aislado de masa planetaria SIMP 0136 basándose en observaciones recientes del telescopio espacial James Webb de la NASA y observaciones previas del Hubble , Spitzer y numerosos telescopios terrestres. SIMP 0136 tiene unas 13 veces la masa de Júpiter. Aunque se cree que tiene la estructura y composición de un gigante gaseoso, técnicamente no se clasifica como exoplaneta porque no orbita su propia estrella. Los colores que se muestran en la ilustración representan la luz infrarroja cercana, invisible al ojo humano. SIMP 0136 es relativamente cálido —unos 1500 grados Fahrenheit (825 grados Celsius o 1100 kelvin)—, pero no lo suficientemente caliente como para emitir suficiente luz visible desde la Tierra, y no está iluminado por una estrella anfitriona. El resplandor azulado cerca de los polos representa la energía auroral (luz emitida por electrones que giran en espiral en un campo magnético) que se ha detectado en longitudes de onda de radio. Los investigadores utilizaron NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) y MIRI (instrumento de infrarrojo medio) para monitorear el brillo de SIMP 0136 durante dos rotaciones completas en julio de 2023. Al analizar el cambio en el brillo de diferentes longitudes de onda a lo largo del tiempo, los investigadores pudieron detectar variabilidad en la cobertura de nubes a diferentes profundidades, variaciones de temperatura en la atmósfera superior y cambios en la química del carbono a medida que diferentes lados del objeto giraban dentro y fuera de la vista. SIMP 0136 se encuentra en la Vía Láctea, a unos 20 años luz de la Tierra, en la constelación de Piscis. Es el planeta aislado o enana marrón más brillante visible desde el hemisferio norte, y se cree que tiene unos 200 millones de años. Esta ilustración se basa en las observaciones espectroscópicas del Webb. El Webb no ha captado una imagen directa del objeto. Créditos: Obra de arte: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) |
Utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA para monitorear un amplio espectro de luz infrarroja emitida durante dos períodos de rotación completos por SIMP 0136, el equipo pudo detectar variaciones en las capas de nubes, la temperatura y la química del carbono que anteriormente estaban ocultas a la vista.
Los resultados proporcionan información crucial sobre la complejidad tridimensional de las atmósferas de los gigantes gaseosos dentro y fuera de nuestro sistema solar. La caracterización detallada de objetos como estos es una preparación esencial para la obtención de imágenes directas de exoplanetas (planetas fuera de nuestro sistema solar) con el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo inicio de operaciones está previsto para 2027.
Rotación rápida, flotación libre
SIMP 0136 es un objeto que gira rápidamente y flota libremente, con una masa de aproximadamente 13 veces la de Júpiter, ubicado en la Vía Láctea, a tan solo 20 años luz de la Tierra. Aunque no está clasificado como un exoplaneta gigante gaseoso (no orbita una estrella y podría ser una enana marrón), SIMP 0136 es un objetivo ideal para la exometeorología: es el objeto más brillante de su tipo en el cielo del hemisferio norte. Gracias a su aislamiento, puede observarse sin temor a la contaminación lumínica ni a la variabilidad causada por una estrella anfitriona. Además, su corto período de rotación de tan solo 2,4 horas permite un estudio muy eficiente.
Antes de las observaciones del Webb, SIMP 0136 se había estudiado ampliamente utilizando observatorios terrestres y los telescopios espaciales Hubble y Spitzer de la NASA.
“Ya sabíamos que su brillo varía y estábamos seguros de que existen capas de nubes irregulares que aparecen y desaparecen de la vista y evolucionan con el tiempo”, explicó Allison McCarthy, estudiante de doctorado de la Universidad de Boston y autora principal de un estudio publicado hoy en The Astrophysical Journal Letters. “También pensábamos que podría haber variaciones de temperatura, reacciones químicas y posiblemente algunos efectos de la actividad auroral que afectaran el brillo, pero no estábamos seguros”.
Para averiguarlo, el equipo necesitó la capacidad de Webb de medir cambios muy precisos en el brillo en un amplio rango de longitudes de onda.
Cartografiando miles de arcoíris infrarrojos
Utilizando NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano), el Webb capturó miles de espectros individuales de 0,6 a 5,3 micras, uno cada 1,8 segundos, durante más de tres horas, mientras el objeto completaba una rotación completa. A esto le siguió inmediatamente una observación con MIRI (instrumento de infrarrojo medio), que recopiló cientos de mediciones espectroscópicas de luz de 5 a 14 micras, una cada 19,2 segundos, durante otra rotación.
El resultado fueron cientos de curvas de luz detalladas, cada una mostrando el cambio en el brillo de una longitud de onda (color) muy precisa a medida que diferentes lados del objeto giraban a la vista.
“Fue increíble ver cómo cambiaba el espectro completo de este objeto en cuestión de minutos”, afirmó la investigadora principal, Johanna Vos, del Trinity College de Dublín. “Hasta ahora, solo contábamos con una pequeña porción del espectro infrarrojo cercano del Hubble y algunas mediciones de brillo del Spitzer”.
El equipo notó casi de inmediato que existían varias formas distintas de curvas de luz . En cualquier momento, algunas longitudes de onda se volvían más brillantes, mientras que otras se atenuaban o no cambiaban mucho. Diversos factores deben estar afectando las variaciones de brillo.
“Imagina observar la Tierra desde lejos. Si observaras cada color por separado, verías diferentes patrones que te revelan información sobre su superficie y atmósfera, incluso si no pudieras distinguir las características individuales”, explicó el coautor Philip Muirhead, también de la Universidad de Boston. “El azul aumentaría a medida que los océanos aparecen a la vista. Los cambios en marrón y verde te revelarían información sobre el suelo y la vegetación”.
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| Estas curvas de luz muestran el cambio de brillo de tres conjuntos diferentes de longitudes de onda (colores) de luz infrarroja cercana proveniente del objeto aislado de masa planetaria SIMP 0136 a medida que giraba. La luz fue captada por el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) del telescopio Webb, que recopiló un total de 5726 espectros (uno cada 1,8 segundos) durante aproximadamente 3 horas el 23 de julio de 2023. (SIMP 0136 completa una rotación cada 2,4 horas). Al comparar estas curvas de luz con modelos, los investigadores pudieron demostrar que cada conjunto de longitudes de onda explora diferentes profundidades (presiones) en la atmósfera. La curva en rojo rastrea el brillo de la luz de 0,9 a 1,4 micras, que se cree que se origina en las profundidades de la atmósfera a una presión de aproximadamente 10 bares (aproximadamente 10 veces la presión del aire a nivel del mar en la Tierra), dentro de nubes compuestas de partículas de hierro. La curva en amarillo rastrea el brillo de la luz de 1,4 a 2,3 micras a una presión de aproximadamente 1 bar dentro de nubes más altas compuestas de diminutos granos de minerales de silicato. Las variaciones de brillo que muestran estas dos curvas se relacionan con la irregularidad de las capas de nubes, que emiten algunas longitudes de onda de luz y absorben otras. La curva, mostrada en azul, rastrea el brillo de la luz de 3,3 a 3,6 micras que se origina en lo alto de las nubes, a una presión de aproximadamente 0,1 bares. Los cambios en el brillo de estas longitudes de onda se relacionan con las variaciones de temperatura alrededor del objeto. Los puntos calientes brillantes podrían estar relacionados con auroras detectadas en longitudes de onda de radio o con la ascensión de gas caliente desde las capas más profundas de la atmósfera. Las diferencias en la forma de estas tres curvas de luz muestran que existen variaciones complejas en la atmósfera de SIMP 0136 con la profundidad y la longitud. Si la atmósfera alrededor del objeto variara de la misma manera a todas las profundidades, las curvas de luz presentarían patrones similares. Si variara con la profundidad, pero no con la longitud, las curvas de luz serían líneas rectas y planas. Tenga en cuenta que este gráfico muestra el cambio relativo en el brillo para cada conjunto de longitudes de onda a lo largo del tiempo, no la diferencia en el brillo absoluto entre los diferentes conjuntos. En cualquier momento dado, hay más luz proveniente de la atmósfera profunda (curva de luz en rojo) que de la atmósfera superior (curva de luz en azul). El diagrama de la derecha ilustra la posible estructura de la atmósfera de SIMP 0136. Las flechas de colores representan las mismas longitudes de onda de luz que se muestran en las curvas de luz. Las flechas gruesas representan más luz (más brillante); las delgadas, menos luz (más tenue). SIMP 0136 se encuentra en la Vía Láctea, a unos 20 años luz de la Tierra, en la constelación de Piscis. Es el planeta aislado o enana marrón más brillante visible desde el hemisferio norte, y se cree que tiene unos 200 millones de años. Los conceptos artísticos se basan en las observaciones espectroscópicas del telescopio Webb. El telescopio Webb no ha captado una imagen directa del objeto. Créditos: Ilustración: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) |
Nubes irregulares, puntos calientes y química del carbono
Para determinar qué podría estar causando la variabilidad en SIMP 0136, el equipo utilizó modelos atmosféricos para mostrar dónde en la atmósfera se originaba cada longitud de onda de luz.
“Las diferentes longitudes de onda proporcionan información sobre las distintas profundidades de la atmósfera”, explicó McCarthy. “Empezamos a darnos cuenta de que las longitudes de onda con curvas de luz más similares también sondeaban las mismas profundidades, lo que reforzó la idea de que debían estar causadas por el mismo mecanismo”.
Un grupo de longitudes de onda, por ejemplo, se origina en las profundidades de la atmósfera, donde podría haber nubes irregulares compuestas de partículas de hierro. Un segundo grupo proviene de nubes más altas, que se cree están compuestas por diminutos granos de minerales de silicato. Las variaciones en ambas curvas de luz están relacionadas con la irregularidad de las capas de nubes.
Un tercer grupo de longitudes de onda se origina a gran altitud, muy por encima de las nubes, y parece rastrear la temperatura. Los puntos calientes brillantes podrían estar relacionados con auroras detectadas previamente en longitudes de onda de radio, o con el afloramiento de gas caliente desde las capas más profundas de la atmósfera.
Algunas de las curvas de luz no pueden explicarse ni por las nubes ni por la temperatura, sino que muestran variaciones relacionadas con la composición química del carbono atmosférico. Podría haber focos de monóxido de carbono y dióxido de carbono que aparecen y desaparecen de la vista, o reacciones químicas que provocan cambios en la atmósfera con el tiempo.
“Aún no hemos descifrado completamente la parte química del rompecabezas”, dijo Vos. “Pero estos resultados son realmente emocionantes porque nos muestran que la abundancia de moléculas como el metano y el dióxido de carbono podría variar según el lugar y con el tiempo. Si observamos un exoplaneta y solo podemos obtener una medición, debemos considerar que podría no ser representativa de todo el planeta”.
Esta investigación se llevó a cabo como parte del Programa de Observadores Generales (GO) 3548 de Webb .
El Telescopio Espacial James Webb es el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. El Webb resuelve misterios en nuestro sistema solar, observando mundos distantes alrededor de otras estrellas e investigando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. El Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).
Contacto con los medios
Instituto Científico del Telescopio Espacial Margaret W. Carruthers , Baltimore, Maryland
Instituto Científico del Telescopio Espacial Hannah Braun , Baltimore, Maryland
Enlaces y documentos relacionados
El artículo científico de A. McCarthy et al.
Publicado en Webb Space Telescope el 3 de marzo del 2025, enlace publicación
